T軸碳纖維高速桁架機器人的設計

□ 任文海 □ 喬鳳昌 □ 孟祥升 □ 葛 鵬 □ 畢雯帥

青島星華智能裝備有限公司 山東青島 266000

1 設計背景

在輪胎制造行業中,全鋼輪胎的生產工藝要求全鋼輪胎胎胚成型后,輸送至全鋼硫化車間進行硫化處理[1-3]。國內傳統的生產方式是成型機生產完輪胎胎胚后,由人工推送小車至硫化車間進行硫化處理,并將小車送回成型車間,勞動強度大,效率低[4-5]。盡管目前桁架機器人在生產效率方面有較大提升,但是在產品質量方面卻陷入瓶頸,傳統桁架機械手的載荷不大于180 kg,最大行程速度為2.5 m/s左右[6-8]。針對上述情況,筆者設計開發了一種生產效率高、負載能力強的T軸碳纖維高速桁架機器人。

2 結構

T軸碳纖維高速桁架機器人的結構如圖1所示,由激光測距儀、T軸固定槽鋼、輪胎、輪胎抓手、T軸驅動電機、T軸滑塊矩形管、Y軸驅動電機、Y軸橫行滑鞍、Z軸驅動電機、Z軸固定槽鋼、Z軸滑塊矩形管、調距電缸、治具護欄等組成。

3 工作原理

T軸碳纖維高速桁架機器人中,Y軸橫行滑鞍通過導軌與承重橫梁相連,Y軸驅動電機驅動整個機器人在橫梁導軌上沿Y軸方向左右移動。兩個Z軸固定槽鋼固定在Y軸橫行滑鞍上,兩個Z軸滑塊矩形管由Z軸驅動電機驅動,可以在對應的Z軸固定槽鋼上沿Z軸方向上下移動。兩個Z軸固定槽鋼相對位置的移動由調距電缸來實現。T軸固定槽鋼固定在2號Z軸滑塊矩形管上,T軸滑塊矩形管與T軸固定槽鋼相連,并由T軸驅動電機驅動,沿T軸方向前后移動。輪胎抓手固定在T軸滑塊矩形管上,通過氣動推桿抓取輪胎,抓取輪胎后可移動到指定位置,輪胎抓手松開后放置輪胎。根據上述工作原理,T軸碳纖維高速桁架機器人可以完成沿Y軸、Z軸方向的移動,輪胎抓手可以前后伸出收回,進行抓取和放置輪胎操作。

1.激光測距儀;2.T軸固定槽鋼;3.輪胎;4.輪胎抓手;5.T軸滑塊矩形管;6.Y軸橫行滑鞍;7.Z軸驅動電機;8.1號Z軸固定槽鋼;9.2號Z軸固定槽鋼;10.Y軸驅動電機;11.1號Z軸滑塊矩形管;12.調距電缸;13.2號Z軸滑塊矩形管;14.治具護欄;15.T軸驅動電機

4 碳纖維材料的應用

為滿足不同工況對T軸高速桁架機器人強度、壽命、質量的要求,T軸滑塊矩形管、Z軸固定槽鋼和Z軸滑塊矩形管采用碳纖維材料。碳纖維材料與其它常見材料的性能對比見表1。

表1 材料性能對比

碳纖維材料的拉伸強度、拉伸模量、比強度、比模量均優于鋼、鋁合金、鈦合金、玻璃纖維,且密度最小,說明碳纖維材料的機械性能、力學性能優于其它材料,并且質量較輕。

5 受力分析

T軸碳纖維高速桁架機器人結構的受力分析如圖2所示。

▲圖2 T軸碳纖維高速桁架機器人結構受力分析

在T軸碳纖維高速桁架機器人輪胎抓手抓取和放置輪胎的過程中,AB段和BC段承受載荷,計算這兩段所受到的力矩,以驗證是否可以選用碳纖維材料。BC段長度為l1,即T軸滑塊矩形管伸出至極限位置時T軸固定槽鋼與T軸滑塊矩形管的總長度,對應質量為m1。AB段長度為l2,即Z軸滑塊矩形管伸出至極限位置時Z軸固定槽鋼與Z軸滑塊矩形管的總長度,對應質量為m2。在實際搬運過程中,C點輪胎質量為m,重力為mg,AB段沿抓取輪胎提升時最大加速度a方向加速提升,提升初始瞬間,支點A、支點B、AB段、BC段力矩最大。BC段力矩MBC為：

MBC=ma+mg+l1(m1g-m1a)/2

(1)

AB段力矩MAB為：

(2)

m1為183.13 kg,m2為363.89 kg,m為102.88 kg,l1為1.9 m,l2為3.6 m,a為3 m/s2,g為10 m/s2,由式(1)、式(2)可得MBC為1 937.97 N·m,MAB為9 259.25 N·m。

6 有限元分析

對T軸碳纖維高速桁架機器人的T軸固定槽鋼、T軸滑塊矩形管、Z軸固定槽鋼、Z軸滑塊矩形管進行有限元分析[9],得到最大應力點,然后結合碳纖維材料的抗拉強度,判斷碳纖維材料是否符合工況要求[10-11]。碳纖維材料性能見表2,根據表2在ANSYS Workbench軟件的材料數據庫中設置參數。

表2 碳纖維材料性能

在對T軸固定槽鋼進行受力分析時,T軸固定槽鋼與T軸滑塊矩形管連接處進行全約束,輪胎抓手與T軸固定槽鋼連接處施加載荷。T軸固定槽鋼網格劃分后有限元模型如圖3所示。

▲圖3 T軸固定槽鋼有限元模型

在對T軸滑塊矩形管進行受力分析時,T軸滑塊矩形管與Z軸滑塊矩形管連接處進行全約束,將T軸滑塊矩形管所受負載移動至T軸固定槽鋼與T軸滑塊矩形管連接處。此時會產生一個轉矩,在T軸固定槽鋼與T軸滑塊矩形管連接處建立剛性耦合點,并施加負載和轉矩。T軸滑塊矩形管網格劃分后有限元模型如圖4所示。

▲圖4 T軸滑塊矩形管有限元模型

在對Z軸滑塊矩形管進行受力分析時,Z軸固定槽鋼與Z軸滑塊矩形管連接處進行全約束,將Z軸滑塊矩形管所受負載移動至T軸固定槽鋼與Z軸滑塊矩形管連接處。此時會產生一個轉矩,在T軸固定槽鋼與Z軸滑塊矩形管連接處建立剛性耦合點,并施加負載和轉矩。Z軸滑塊矩形管網格劃分后有限元模型如圖5所示。

▲圖5 Z軸滑塊矩形管有限元模型

在對Z軸固定槽鋼進行受力分析時,Z軸固定槽鋼上方固定連接處進行全約束,將Z軸固定槽鋼所受負載移動至Z軸固定槽鋼與Z軸滑塊矩形管連接處。此時會產生一個轉矩,在Z軸固定槽鋼與Z軸滑塊矩形管連接處建立剛性耦合點,并施加負載和轉矩。Z軸固定槽鋼網格劃分后有限元模型如圖6所示。

▲圖6 Z軸固定槽鋼有限元模型

T軸固定槽鋼有限元分析結果如圖7所示。

▲圖7 T軸固定槽鋼有限元分析結果

由圖7(a)可以看出,最大位移產生在T軸固定槽鋼下端,因為T軸固定槽鋼上端與Z軸滑塊矩形管固定,在抓取輪胎過程中未固定一端形成簡支梁并承受輪胎重力,最大位移量為14.67 mm。

由圖7(b)可以看出,最大應力產生在T軸固定槽鋼中間位置,說明T軸固定槽鋼受到因負載而產生的彎矩,最大應力值為176.5 MPa。碳纖維材料的橫向失效拉伸強度為51 MPa,小于有限元分析得到的最大應力,因此T軸固定槽鋼采用碳纖維材料存在橫向拉伸失效的風險,實際T軸固定槽鋼不采用碳纖維材料,改用強度更高且密度更大的6061鋁合金材料。

T軸滑塊矩形管有限元分析結果如圖8所示。

由圖8(a)可以看出,最大位移產生在T軸滑塊矩形管左端,因為T軸滑塊矩形管右端與T軸固定槽鋼固定,在抓取輪胎過程中未固定一端形成簡支梁并承受輪胎重力,最大位移量為0.209 7 mm。

由圖8(b)可以看出,最大應力產生在T軸滑塊矩形管右端,在承載時承受拉伸與壓縮應力,最大應力值為35.27 MPa。

Z軸滑塊矩形管有限元分析結果如圖9所示。

由圖9(a)可以看出,最大位移產生在Z軸滑塊矩形管下端,因為Z軸滑塊矩形管上端與Z軸固定槽鋼固定,在抓取輪胎過程中未固定一端形成簡支梁并承受輪胎重力,最大位移量為1.761 mm。

由圖9(b)可以看出,最大應力產生在Z軸滑塊矩形管與T軸滑塊矩形管固定處,最大應力值為47.87 MPa。T軸碳纖維高速桁架機器人在抓取輪胎提升過程中,Z軸滑塊矩形管中間位置會承受一定的彎矩,應力值在15.97 MPa～19.96 MPa之間。碳纖維材料的橫向失效拉伸強度為51 MPa,大于通過有限元分析得到的最大應力值,因此Z軸滑塊矩形管可以使用碳纖維材料。

▲圖8 T軸滑塊矩形管有限元分析結果

▲圖9 Z軸滑塊矩形管有限元分析結果

Z軸固定槽鋼有限元分析結果如圖10所示。

由圖10(a)可以看出,最大位移產生在Z軸固定槽鋼下端,因為Z軸固定槽鋼上端與Y軸橫行滑鞍固定,在抓取輪胎過程中未固定一端形成簡支梁并承受輪胎重力,最大位移量為0.937 6 mm。

由圖10(b)可以看出,最大應力產生在Z軸固定槽鋼中間位置,說明Z軸固定槽鋼受到因負載而產生的彎矩,最大應力值為35.86 MPa。碳纖維材料的橫向失效拉伸強度為51 MPa,大于有限元分析得到的最大應力值,因此Z軸固定槽鋼可以使用碳纖維材料。

▲圖10 Z軸固定槽鋼有限元分析結果

7 運行試驗

將所設計的T軸碳纖維高速桁架機器人應用于輪胎制造廠硫化車間,主要工作是將上料口的輪胎胎胚輸送至硫化機工位上,再將由硫化機加工完成的輪胎胎胚輸送至下料口。T軸碳纖維高速桁架機器人總行程為122 m,單個輪胎胎胚質量為102.88 kg,一次可提取兩個輪胎胎胚,額定載荷達到205.76 kg,高于傳統桁架機械手的額定負載。運行試驗時,T軸碳纖維高速桁架機器人從上料口抓取輪胎胎胚輸送至61 m處的硫化機工位,放置一個輪胎胎胚,然后輸送至122 m處的硫化機工位,放置另一個輪胎胎胚。兩個輪胎胎胚加工完成后,由T軸碳纖維高速桁架機器人輸送至下料口,由此構成一個工作周期。

T軸碳纖維高速桁架機器人樣機如圖11所示。

▲圖11 T軸碳纖維高速桁架機器人樣機

樣機的Z軸行程可達3.6 m,T軸行程可達1.9 m,運行試驗數據見表3。

表3 T軸碳纖維高速桁架機器人運行試驗數據

由表3可以看出,T軸碳纖維高速桁架機器人的抓取輪胎胎胚時間與放置輪胎胎胚時間接近,抓取輪胎胎胚平均時間為35.24 s,放置輪胎胎胚平均時間為35.28 s;輸送至61 m處放置輪胎胎胚時間與61 m處輸送至122 m處放置輪胎胎胚時間接近,輸送至61 m處放置輪胎胎胚平均時間為20.36 s,61 m處輸送至122 m處放置輪胎胎胚平均時間為20.18 s。T軸碳纖維高速桁架機器人的最快輸送速度可達3.13 m/s,這一速度高于傳統桁架機械手的水平,能夠滿足車間的生產要求。

8 結束語

筆者設計了T軸碳纖維高速桁架機器人,對其結構進行有限元分析,得到T軸固定槽鋼、T軸滑塊矩形管、Z軸固定槽鋼、Z軸滑塊矩形管的位移與應力云圖。通過有限元分析確認,T軸固定槽鋼不能采用碳纖維材料,T軸滑塊矩形管、Z軸固定槽鋼、Z軸滑塊矩形管采用碳纖維材料。

目前國內的傳統桁架機械手載荷不大于180 kg,最大輸送速度為2.5 m/s左右,效率低,壽命短。與傳統桁架機械手相比,T軸碳纖維高速桁架機器人額定載荷達到205.76 kg,最快輸送速度為3.13 m/s,優于傳統桁架機械手。